Développement de directives de conception thermique pour les MOSFET de puissance dans un châssis

Jul 02, 2023

Les MOSFET sont omniprésents en électronique et leurs performances ont un impact significatif sur les caractéristiques thermiques d'une conception. L'évaluation physique de cet impact peut être difficile, mais elle peut être modélisée de près à l'aide d'outils logiciels d'entreprises comme Ansys pour simuler le flux thermique, comme le montre la figure 1.

Il est difficile de développer des cartes d'évaluation qui représentent toutes les conditions thermiques possibles en raison de contraintes de temps et de coût. Toutefois, des simulations bien conçues fournissent un aperçu approfondi du flux d’air et des possibilités de refroidissement supplémentaires. De tels modèles sont hautement adaptables, permettant des recherches dans de nombreuses conditions différentes et n'impliquent pas les coûts associés aux commissions d'évaluation.

Cet article abordera la modélisation de simulation du comportement thermique des MOSFET dans un châssis fermé. Nous étudierons l’impact de :

Les résultats des simulations sont présentés, suivis de recommandations de conception basées sur ces résultats.

Dans cet article, nous examinerons deux modèles de conception différents comprenant des dimensions de châssis, des dimensions et une construction de PCB différentes, et avec et sans composants supplémentaires.

Deux types de modèles de châssis sont utilisés pour la simulation :

Le PCB du modèle 1 mesure 100 × 180 × 1,6 mm avec quatre couches. Les épaisseurs de traces des couches supérieure, inférieure et interne sont toutes de 35 µm.

Le PCB du modèle 2 mesure 125 × 175 × 1,6 mm avec quatre couches. Les épaisseurs de trace des couches supérieure, inférieure et interne de ce modèle sont respectivement de 70, 70 et 35 μm.

Notez que toutes les cartes PCB sont fabriquées à partir de FR4 et que le pourcentage de cuivre pour les traces est fixé à 80 %. Les cartes n'ont pas de couche de réserve de soudure sur le dessus et les paramètres de simulation incluent uniquement l'émissivité pour compenser l'effet de cette couche. De plus, les cartes ne comportent pas de trous traversants ni de vias thermiques.

Le modèle des MOSFET est basé sur le boîtier TO-247 avec une taille de puce de 4 × 4 × 0,25 mm, une épaisseur de plomb de 0,6 mm et un moule de 16 × 20 × 4,4 mm. Pour mieux optimiser le temps d'analyse, les MOSFET sont modélisés à l'aide de trois parties : le moule, la puce et le plomb, les fils de liaison et la soudure étant omis. Le résultat est une proche approximation d’un solide rectangulaire.

Le modèle 2 comprend également des dispositifs IC, des inductances (bobines et transformateurs) et des condensateurs électrolytiques. Les inducteurs et les dispositifs IC sont modélisés comme une résistance au flux d'air plutôt que comme des dispositifs générateurs de chaleur. Une disposition typique de ce modèle est présentée à la figure 3.

Un ventilateur de 40 × 40 mm est utilisé dans la simulation, incorporant diverses courbes PQ (pression-volume) pour la représentation.

La grille, fixée à la paroi du châssis, peut être configurée comme une entrée ou une sortie en utilisant le ventilateur comme ventilateur d'aspiration ou de soufflage. Notez que le gril a un rapport d'ouverture de 1,0.

Cette simulation est le cas le plus simple et utilise le modèle 1 avec un seul MOSFET (dissipation de puissance de 2 W) comme source de chaleur. Une solide compréhension du comportement thermique d'un seul MOSFET placé à diverses positions dans le châssis, en conjonction avec différents emplacements de ventilateurs et de grilles, sert de point de départ pour les simulations restantes.

La figure 4 affiche les différentes combinaisons de positions MOSFET, grille et ventilateur.

Les résultats de flux d'air obtenus à l'aide du logiciel Ansys sont présentés dans la figure 5 pour les emplacements des appareils en A1, A2, A3, A4 et A5. Ici, le ventilateur est placé en position A et le grill en position C.

La résistance thermique du MOSFET pour cette simulation et pour toutes les simulations restantes est calculée selon l'équation suivante :

Résistance thermique = (température moyenne simulée de la puce – température ambiante) / dissipation de puissance

D'après les résultats de toutes les combinaisons possibles de placement de l'appareil, du gril et du ventilateur, il devient évident que le positionnement d'un MOSFET le long du chemin menant directement du ventilateur au gril est l'approche la plus efficace.

Ensuite, un total de 25 MOSFET sont placés dans le modèle et mis sous tension simultanément, avec le ventilateur en bas à gauche (position du ventilateur A) et la grille dans le coin supérieur droit (position de la grille C) du modèle 1, respectivement.